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基于DEM的流域沟谷网络尺度特征及尺度分解

作　者: 张婷
导　师: 汤国安；刘学军
学　校: 南京师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 沟谷网络尺度尺度分解空隙度聚块样方方差
分类号: P231.5
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

尺度问题是地理学重要的理论问题。近年来,随着人类活动对全球环境变化影响的加剧,全球尺度和区域尺度的研究越来越受到重视,尺度特征、尺度分解和尺度转换成为在局部、区域、全球环境分析和建模的主要研究内容。而流域作为与人类联系最紧密的独立系统之一,对国土整治、环境控制及重大水利工程建设等国民经济发展项目有着重要影响。流域沟谷网络的尺度研究一直是地貌、水文、环境、土壤等地球科学关注和研究的热点之一。然而,目前流域沟谷网络的尺度研究存在以下问题:形态指标在不同尺度范围内对网络结构的描述不具唯一性,沟谷网络等级划分方案未考虑网络自身的多尺度特征,尺度分解研究只针对规则数据做过初步研究。为解决以上问题,本文重点研究流域沟谷网络的多尺度特征,构建了适合流域沟谷网络的多尺度分析模式,并以陕北韭园沟小流域及模拟沟谷网络为例,深入研究了流域沟谷网络自身的多尺度特征;针对流域沟谷网络的多尺度格局提出基于二阶局部聚块样方方差(Two-term Local Quadrat Variance,TTLQV)算法的尺度分解方法,并利用尺度分解的结果对主流的沟谷等级划分方案能否最大程度得将多尺度特征分解为单一尺度进行了评估。本文进行的主要研究工作如下:1、流域沟谷网络多尺度分析模式与算法研究首先,为解决空隙度的滑动框算法只考虑当前窗口、易受局部异常值影响的缺陷,本文提出了顾及邻域空间关系的3阶局部条形窗口空隙度(Three-term Local Strip Lacuanrity,3TLSL)算法,并以模拟沟谷网络为例,对比分析了3TLSL算法与滑动框算法的结果,研究结果显示,3TLSL算法在分析结果的精确性、可靠性、有效性等方面均有明显的提高。其次分析与讨论了现有空隙度算法与聚块样方方差算法对于沟谷网络的不适应性,针对现有沟谷网络多尺度研究的缺陷,提出了适用于沟谷网络的多尺度分析模式,该分析模式克服了现有沟谷网络多尺度分析的缺陷,采用高阶局部分析窗口,顾及到沟谷网络的各向异性特点,引入了三维信息,有效探测出常规分析方法所不能或不易探测的沟谷网络特有的格局特征,如沟谷网络的多重分形特征、特征尺度、各向异性等,为流域研究的实验设计、信息采集提供依据,为理解沟谷网络格局分布提供支持。2、沟谷网络多尺度特征的探测与分析以陕北韭园沟小流域及模拟沟谷网络为例,应用沟谷网络多尺度分析模式探测并分析了沟谷网络的特征尺度及其含义,对每种尺度下沟谷网络表现出的分形特征进行了研究,针对沟谷网络各向异性特点,以四个方向为例分析讨论了不同方向多尺度特征的差异。将沟谷网络多尺度分析模式应用于山脊网络,对谷、脊网络在多尺度特征上的区别进行了重点分析,并对他们的耦合关系进行了深入研究。结果表明,沟谷网络多尺度分析模式能够有效地识别网络结构中存在的特征尺度,并对不同特征尺度下网络格局如多重分形现象能够准确有效地探测出来,同时能灵活高效地判别网络的各向异性特点,分析结果准确可靠,分析过程简单易行。3、基于TTLQV算法的尺度分解方法研究针对非规则数据斑块与空隙不等大小的特点,提出了基于TTLQV算法的尺度分解方法,针对各种边界条件进行了理论推导。对于沟谷网络及不规则镶嵌数据,该方法能够有效得将多尺度特征分解为几个单一尺度与单一尺度间的交互作用,为理解流域沟谷网络结构提供支持,为研究沟谷网络等级划分方案的尺度特征提供依据。4、沟谷网络等级划分方案的多尺度特征评估分别以规则镶嵌数据、模拟沟谷网络和西雁沟子流域沟谷网络为例进行尺度分解,分析其格局中的单一尺度及尺度间的交互作用,并利用沟谷网络尺度分解的结果对目前主流的等级划分方案(Gravelius、Strahler方案)进行多尺度特征评估,结果表明,Gravelius方案所划分的级别中对沟谷网络的分支部分多尺度特征保持较好,而Strahler方案则对所划分级别中主干部分的多尺度特征保持较好;不同级别下的沟谷段表现出的多尺度特征可能与整个网络的多尺度特征有区别,具体应用中应根据研究目的选择适当的研究范围。沟谷网络的多尺度研究有助于理解沟谷网络的空间分布格局,为类似流域网络(谷、脊网络)的多尺度研究提供可供借鉴的分析模式,为理解与预测流域系统的整体行为,如流域演化、水文预报、流域治理等提供科学依据,充实和发展了流域地貌学研究的内容。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
图目录  13-15
表目录  15-16
第1章绪论  16-28
  1.1 尺度与尺度分析  16-18
    1.1.1 格局、过程及尺度  16-17
    1.1.2 尺度分析  17-18
  1.2 沟谷网络的尺度特征与尺度分析  18-22
    1.2.1 流域及其多尺度特征  18-20
    1.2.2 基于DEM的沟谷网络及其多尺度特征  20-21
    1.2.3 基于DEM的沟谷网络多尺度分析  21-22
  1.3 研究内容  22-23
  1.4 技术路线  23-27
    1.4.1 实验样区与数据  23-26
    1.4.2 技术流程  26-27
  1.5 论文结构  27-28
第2章综述  28-42
  2.1 沟谷网络多尺度特征研究  28-30
    2.1.1 水系发育  28-29
    2.1.2 流域形态研究  29-30
    2.1.3 不同地理系统的形态相似性研究  30
  2.2 沟谷网络等级划分  30-32
  2.3 基于空间统计的多尺度分析方法  32-36
    2.3.1 空间相关性分析  32-35
    2.3.2 聚块样方方差分析  35-36
  2.4 基于频域的多尺度分析方法  36-37
    2.4.1 谱分析  36
    2.4.2 小波分析  36-37
  2.5 分形/空隙度分析方法  37-40
    2.5.1 分形  37-38
    2.5.2 空隙度  38-40
  2.6 本章小结  40-42
第3章流域沟谷网络的多尺度分析  42-60
  3.1 小引  42-43
  3.2 空隙度与聚块样方方差分析  43-51
    3.2.1 空隙度算法分析  43-48
    3.2.2 聚块样方方差算法分析  48-50
    3.2.3 分析与讨论  50-51
  3.3 沟谷网络的多尺度分析方法  51-56
    3.3.1 顾及各向异性的多尺度分析方法  51-54
    3.3.2 顾及邻域空间关系的多尺度分析方法  54-56
    3.3.3 顾及三维信息的多尺度分析方法  56
  3.4 沟谷网络的多尺度分析模式  56-58
  3.5 本章小结  58-60
第4章流域沟谷网络的多尺度特征探测与分析  60-82
  4.1 多重分形特征  60-63
  4.2 特征尺度的探测  63-67
  4.3 尺度结果的解译  67-70
    4.3.1 模拟数据  67-68
    4.3.2 沟谷网络  68-70
  4.4 各向异性的探测  70-74
  4.5 谷、脊网络多尺度特征的耦合  74-79
    4.5.1 山脊网络的多尺度特征  74-78
    4.5.2 谷脊网络的耦合关系  78-79
  4.6 本章小结  79-82
第5章流域沟谷网络多尺度特征的尺度分解  82-114
  5.1 小引  82-83
  5.2 尺度分解的原理  83-97
    5.2.1 理论依据  83
    5.2.2 分组方案  83-85
    5.2.3 基于TTLQV算法的尺度分解  85-97
  5.3 基于规则镶嵌数据的尺度分解  97-100
    5.3.1 数据集构造  97
    5.3.2 尺度分解与检验  97-100
  5.4 基于模拟沟谷网络的尺度分解  100-107
    5.4.1 尺度分解  100-103
    5.4.2 等级划分方案的尺度特征分析  103-107
  5.5 实例分析  107-113
    5.5.1 尺度分解  107-109
    5.5.2 等级划分方案的尺度特征分析  109-113
  5.6 本章小结  113-114
第6章结论与展望  114-118
  6.1 主要研究工作  114-115
  6.2 研究创新点  115
  6.3 研究展望  115-118
参考文献  118-128
致谢  128-130
科研成果  130-131

基于DEM的流域沟谷网络尺度特征及尺度分解

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